Recent epidemiological evidence indicates that insulin resistance, a proximal cause of Type II diabetes [a non-insulin dependent form of diabetes mellitus (NIDDM)], is associated with an increased relative risk for Alzheimer's disease (AD). In this study we examined the role of dietary conditions leading to NIDDM-like insulin resistance on amyloidosis in Tg2576 mice, which model AD-like neuropathology. We found that diet-induced insulin resistance promoted amyloidogenic beta-amyloid (Abeta) Abeta1-40 and Abeta1-42 peptide generation in the brain that corresponded with increased gamma-secretase activities and decreased insulin degrading enzyme (IDE) activities. Moreover, increased Abeta production also coincided with increased AD-type amyloid plaque burden in the brain and impaired performance in a spatial water maze task. Further exploration of the apparent interrelationship of insulin resistance to brain amyloidosis revealed a functional decrease in insulin receptor (IR)-mediated signal transduction in the brain, as suggested by decreased IR beta-subunit (IRbeta) Y1162/1163 autophosphorylation and reduced phosphatidylinositol 3 (PI3)-kinase/pS473-AKT/Protein kinase (PK)-B in these same brain regions. This latter finding is of particular interest given the known inhibitory role of AKT/PKB on glycogen synthase kinase (GSK)-3alpha activity, which has previously been shown to promote Abeta peptide generation. Most interestingly, we found that decreased pS21-GSK-3alpha and pS9-GSK-3beta phosphorylation, which is an index of GSK activation, positively correlated with the generation of brain C-terminal fragment (CTF)-gamma cleavage product of amyloid precursor protein, an index of gamma-secretase activity, in the brain of insulin-resistant relative to normoglycemic Tg2576 mice. Our study is consistent with the hypothesis that insulin resistance may be an underlying mechanism responsible for the observed increased relative risk for AD neuropathology, and presents the first evidence to suggest that IR signaling can influence Abeta production in the brain.

Reduction in the activity of the α-melanocyte-stimulating hormone (α-MSH) system causes obesity, and infusions of α-MSH can produce satiety, raising the possibility that α-MSH may mediate physiological satiety signals. Since α-MSH is coded for by the pro-opiomelanocortin (POMC) gene, we examined if POMC gene expression would be inhibited by fasting in normal mice or in models of obesity characterized by leptin insufficiency (ob/ob) or leptin insensitivity (db/db). In wild-type mice, hypothalamic POMC mRNA was decreased >60% after a 2-day fast and was positively correlated with leptin mRNA. Similarly, compared with controls, POMC mRNA was decreased by at least 60% in both db/db and ob/ob mice. POMC mRNA was negatively correlated with both neuropeptide Y (NPY) and melanin-concentrating hormone (MCH) mRNA. Finally, treatment of both male and female ob/ob mice with leptin stimulated hypothalamic POMC mRNA by about threefold. These results suggest that impairment in production, processing, or responsiveness to α-MSH may be a common feature of obesity and that hypothalamic POMC neurons, stimulated by leptin, may constitute a link between leptin and the melanocortin system.

Estrogen receptor alpha (ERalpha) plays a pivotal role in the regulation of food intake and energy expenditure by estrogens. Although it is well documented that a disruption of ERalpha signaling in ERalpha knockout (ERKO) mice leads to an obese phenotype, the sites of estrogen action and mechanisms underlying this phenomenon are still largely unknown. In the present study, we exploited RNA interference mediated by adeno-associated viral vectors to achieve focused silencing of ERalpha in the ventromedial nucleus of the hypothalamus, a key center of energy homeostasis. After suppression of ERalpha expression in this nucleus, female mice and rats developed a phenotype characteristic for metabolic syndrome and marked by obesity, hyperphagia, impaired tolerance to glucose, and reduced energy expenditure. This phenotype persisted despite normal ERalpha levels elsewhere in the brain. Although an increase in food intake preceded weight gain, our data suggest that a leading factor of obesity in this model is likely a decline in energy expenditure with all three major constituents being affected, including voluntary activity, basal metabolic rate, and diet-induced thermogenesis. Together, these findings indicate that ERalpha in the ventromedial nucleus of the hypothalamus neurons plays an essential role in the control of energy balance and the maintenance of normal body weight.

Circulating leptin secreted from adipocytes is correlated with fat mass and plasma insulin concentrations in humans and rodents. Plasma leptin, insulin, and glucose decrease during fasting and increase after refeeding; however, the underlying mechanisms regulating the changes of leptin secretion are not known. To investigate the role of insulin-stimulated glucose metabolism in the regulation of leptin secretion, we examined the effects of insulin and inhibitors of glucose transport and metabolism on leptin secretion from rat adipocytes in primary culture. Insulin (0.16–16 nm) increased leptin secretion over 96 h; however, the increase in leptin was more closely related to the amount of glucose taken up by the adipocytes (r = 0.64; P < 0.0001) than to the insulin concentration per se (r = 0.20; P < 0.28), suggesting a role for glucose transport and/or metabolism in regulating leptin secretion. 2-Deoxy-d-glucose (2-DG), a competitive inhibitor of glucose transport and phosphorylation, caused a concentration-dependent (2–50 mg/dl) inhibition of leptin release in the presence of 1.6 nm insulin. The inhibitory effect of 2-DG was reversed by high concentrations of glucose. Two other inhibitors of glucose transport, phloretin (0.05–0.25 mm) and cytochalasin-B (0.5–50 μm), also inhibited leptin secretion. Inhibition of leptin secretion by these agents was proportional to the inhibition of glucose uptake (r = 0.60 to 0.86; all P < 0.01). Two inhibitors of glycolysis, iodoacetate (0.005–1.0 mm) and sodium fluoride (0.1–5 mm), produced concentration-dependent inhibition of leptin secretion in the presence of 1.6 nm insulin. In addition, both 2-DG and sodium fluoride markedly decreased the leptin (ob) messenger RNA content of cultured adipocytes, but did not affect 18S ribosomal RNA content. We conclude that glucose transport and metabolism are important factors in the regulation of leptin expression and secretion and that the effect of insulin to increase adipocyte glucose utilization is likely to contribute to insulin-stimulated leptin secretion. Thus, in vivo, decreased adipose glucose metabolism may be one mechanism by which fasting decreases circulating leptin, whereas increased adipose glucose metabolism would increase leptin after refeeding.

Abstract Aging is one of the most important biological processes and is a known risk factor for many age-related diseases in human. Studying age-related transcriptomic changes in tissues across the whole body can provide valuable information for a holistic understanding of this fundamental process. In this work, we catalogue age-related gene expression changes in nine tissues from nearly two hundred individuals collected by the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project. In general, we find the aging gene expression signatures are very tissue specific. However, enrichment for some well-known aging components such as mitochondria biology is observed in many tissues. Different levels of cross-tissue synchronization of age-related gene expression changes are observed and some essential tissues (e.g., heart and lung) show much stronger “co-aging” than other tissues based on a principal component analysis. The aging gene signatures and complex disease genes show a complex overlapping pattern and only in some cases, we see that they are significantly overlapped in the tissues affected by the corresponding diseases. In summary, our analyses provide novel insights to the co-regulation of age-related gene expression in multiple tissues; it also presents a tissue-specific view of the link between aging and age-related diseases.

Abstract This study aimed to characterize the effects of laparotomy on post-operative physical function and skeletal muscle gene expression in C57BL/6N mice at 3, 20 and 24 months of age to investigate late-life vulnerability and resiliency to acute surgical stress. Pre- and post-operative physical functioning were assessed by forelimb grip strength and motor coordination. Laparotomy induced an age-associated post-operative decline in forelimb grip strength that was greatest in the oldest mice. In contrast, while motor coordination declined with increasing age at baseline, it was unaffected by laparotomy. Moreover, baseline physical function as stratified by motor coordination performance (low vs. high functioning) in 24-month-old mice did not differentially affect post-laparotomy reduction in grip strength. RNA sequencing of soleus muscles showed that laparotomy induced age-associated differential gene expression and canonical pathway activation with the greatest effects in the youngest mice. Examples of such age-associated, metabolically important pathways that were only activated in the youngest mice after laparotomy included oxidative phosphorylation and NRF2-mediated oxidative stress response. Analysis of lipid mediators in serum and gastrocnemius muscle showed alterations in profiles of these mediators during aging and confirmed an association between such changes and functional status in gastrocnemius muscle. These findings demonstrate a mouse model of laparotomy which recapitulated some features of post-operative skeletal muscle decline in older adults following surgery, and identified age-associated, laparotomy-induced molecular signatures in skeletal muscles. Future research can build upon this mouse model to study molecular mechanisms of late-life vulnerability to acute surgical stress and resiliency to counter surgery-induced physical decline.

Inflammation drives many age-related, especially neurological, diseases, and likely mediates age-related proteotoxicity. For example, dementia due to Alzheimer's Disease (AD), cerebral vascular disease, many other neurodegenerative conditions is increasingly among the most devastating burdens on the American (and world) health system and threatens to bankrupt the American health system as the population ages unless effective treatments are developed. Dementia due to either AD or cerebral vascular disease, and plausibly many other neurodegenerative and even psychiatric conditions, is driven by increased age-related inflammation, which in turn appears to mediate Abeta and related proteotoxic processes. The functional significance of inflammation during aging is also supported by the fact that Humira, which is simply an antibody to the pro-inflammatory cytokine TNF-a, is the best-selling drug in the world by revenue. These observations led us to develop parallel high-throughput screens to discover small molecules which inhibit age-related Abeta proteotoxicity in a C. elegans model of AD AND LPS-induced microglial TNF-a. In the initial screen of 2560 compounds (Microsource Spectrum library) to delay Abeta proteotoxicity, the most protective compounds were, in order, phenylbutyrate, methicillin, and quetiapine, which belong to drug classes (HDAC inhibitors, beta lactam antibiotics, and tricyclic antipsychotics, respectably) already robustly implicated as promising to protect in neurodegenerative diseases, especially AD. RNAi and chemical screens indicated that the protective effects of HDAC inhibitors to reduce Abeta proteotoxicity are mediated by inhibition of HDAC2, also implicated in human AD, dependent on the HAT Creb binding protein (Cbp), which is also required for the protective effects of both dietary restriction and the daf-2 mutation (inactivation of IGF-1 signaling) during aging. In addition to methicillin, several other beta lactam antibiotics also delayed Abeta proteotoxicity and reduced microglial TNF-a. In addition to quetiapine, several other tricyclic antipsychotic drugs also delayed age-related Abeta proteotoxicity and increased microglial TNF-a, leading to the synthesis of a novel congener, GM310, which delays Abeta as well as Huntingtin proteotoxicity, inhibits LPS-induced mouse and human microglial and monocyte TNF-a, is highly concentrated in brain after oral delivery with no apparent toxicity, increases lifespan, and produces molecular responses highly similar to those produced by dietary restriction, including induction of Cbp inhibition of inhibitors of Cbp, and genes promoting a shift away from glycolysis and toward metabolism of alternate (e.g., lipid) substrates. GM310, as well as FDA-approved tricyclic congeners, prevented functional impairments and associated increase in TNF-a in a mouse model of stroke. Robust reduction of glycolysis by GM310 was functionally corroborated by flux analysis, and the glycolytic inhibitor 2-DG inhibited microglial TNF-a and other markers of inflammation, delayed Abeta proteotoxicity, and increased lifespan. These results support the value of phenotypic screens to discover drugs to treat age-related, especially neurological and even psychiatric diseases, including AD and stroke, and to clarify novel mechanisms driving neurodegeneration (e.g., increased microglial glycolysis drives neuroinflammation and subsequent neurotoxicity) suggesting novel treatments (selective inhibitors of microglial glycolysis).